保温杯衬套注塑模具设计
1  引言    
模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁力工业”，可见其重视程度。当今，“模具就是经济效益”的观念，己被越来越多的人所接受。模具广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、仪器仪表、通信、建筑、玩具、家用电器和轻工业等行业，是世界各国经济建设的支柱产业。
由于我国塑料模具起步晚于西方欧美等国家，加上起初技术水平的限制，致使我国前期塑料模具发展缓慢。随着我国加入国际世贸组织，国内塑料模具工业开始迅速发展，体现在塑料模具相关零件逐步标准化，产品技术含量不断提高，生产加工自动化程度不断提高，制造周期不断缩短，然而，这样快的发展速度仍旧跟不上市场要求，近些年来国产塑料模具在国内市场中的满足率在逐年提高，但进口的塑料模具目前仍占我国市场的20％以上。相比于国外塑料模具的先进水平相比，依然存在不小的差距，主要在于一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口，而国内一些低档塑料模具却供过于求，另外一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势，导致市场竞争激烈，这样就给塑料模具产业带来了巨大的挑战，同时也带来更多的机遇，从整体上看机遇是大于挑战的。
近些年来，中国塑料模具制造水平已有较大提高。大型塑料模具已能生产单套重量达到60t以上的注塑模，精密塑料模具的精度已达到2μm，制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达6m/min以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各种模具。模具设计、加工以及各种管理将向数字化、信息化方向发展CAD/CAE/CAM/CAPP等将向智慧化、集成化和网络化的方向发展。
总的来说,中国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，塑料模具的发展在未来将会有很好的前景。
2  产品成型工艺分析
2.1  产品结构性能简介
本课题为保温杯衬套注塑模具设计，保温杯衬套外形结构如图1所示。设计保温杯衬套注塑模具遇到的难点：保温杯衬套上有螺纹和凹槽不可以直接脱模，需要采用侧向分型抽芯机构脱模。本设计要求的材料是聚苯乙烯PS，一模出两件。
图2.1  保温杯衬套
2.2  产品工艺分析
2.2.1  PS塑件的性能
根据设计的要求，选用PS作为制件的材料。大多数商业用的PS都是透明的、非结晶材料。PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。它能够抵抗水、稀释的无机酸，但能够被强氧化物如浓硫酸所腐蚀，并会在一些有机溶剂中发生膨胀变形。典型的收缩率在0.4%~0.7%之间。PS因性脆，力学强度差，热膨胀洗漱大，顾制件不宜带有金属嵌件，为了使制件顺利脱模，模壁斜度应增大至1°~2°。
PS因本身吸水率小，成型前不一定要进行干燥。PS为无定形塑料，黏度适宜，流动性较好，热稳定性亦较好，注塑成型比较容易。用于注塑的PS相对分子质量约为7万~20万，成型温度范围校宽，在黏流态下温度不会影响注射模注射过程。PS融化温度：80℃~280℃。对于阻燃性材料其上限位250℃。模具温度：40℃~50℃。注射压力：60~150MPa。注射速度：建议使用快速的注射速度。流道和浇口：可以采用所有常规类型的浇口。
2.2.2  PS成型工艺
注塑是PS塑料最重要的成型方法，在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机的动模板和定模板上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力。是否在注塑机允许的范围内。另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过较核。经分析，本设计适应采用螺杆卧式注塑机。其螺杆式注塑机的工艺参数如下表：
表2.2   PS塑料的注射工艺参数
注塑机类型    喷嘴形式    喷嘴温度/℃    料筒温度/℃
螺杆式注塑机    直通式    170~190    前段    中段    后段
            170~190    —    140~160
模具温度/℃    注射压力/ MPa    保压力/ MPa    注射时间/s
40~50    60~110    30~40    0~3
保压时间/s    冷却时间/s    成型周期/s    成型温度/℃
15~40    15~30    40~90    140~170
3  模具总体方案
综合考虑模具制作成本和结构复杂程度，选定以下方案：

图3.1  模具总体方案
本方案采用哈夫式瓣合型，塑件在由斜滑块4、型芯11、13组成的型腔中成型，开模时，在止动销10的作用下迫使第一分型面先打开，沿导柱15往下退移，带动浇口凝料和塑件的上半部分从主流道和型芯中拉出，当止动销10从盲孔中抽出时，第一分型面分型结束，动模继续后退，当动模继续后退到注射机顶出装置时，由顶出装置推动推板，推板推动推杆14，再由推杆14推动斜滑块，斜滑块沿着动模套版导滑方向移动脱模，后退的同时侧向打开型腔，使塑件顺利脱出。
4  注塑工艺方案
4.1  设计步骤
注塑模具的结构设计一般按如下步骤进行，在本章只作简要概述，初步拟订设计方案，具体详细设计依据及计算放在后面进行论述。
（1）确定型腔的数目；
（2）选定分型面；
（3）确定浇注系统；
（4）确定成型零部件；
（5）确定合模导向机构；
（6）确定脱模顶出机构；
（7）温度调节系统分析；
（8）排气系统分析；
（9）绘制模具结构草图，选取标准模架。
4.2  模具工艺方案
（1）根据产品的技术和经济要求拟采用一模两腔结构。
（2）第一分型面在塑件上半部分的倒角处，第二分型面选在塑件的对称中心面上，因为本设计采用的是哈夫式结构，这样便于塑件脱模，排气效果好，同时也便于加工。
（3）浇注系统主流道采用常用的圆锥形，分流道的截面形状为半圆形，冷料穴采用无拉料杆的冷料穴。浇口的设计采用矩形浇口，因为其截面形状简单、易于加工、便于试模后修正。
（4）根据塑件的结构特点，型腔设计在斜滑块之中。
（5）顶出机构采用推杆推出机构，推杆对称分布。
4.3  设计软件的选择
三维CAD软件种类很多，国内外模具设计大多采用了三维设计手段，在模具设计与制造上发生了很大的变化。三维通用机械CAD 软件如Pro /E、UG和CATIA，它们都是参数化功能极强的三维模具设计软件，并且都具有完备的自动化设计功能。但CATIA 对计算机硬件的要求很高，资金投入较多，一般中小企业难以实现; UG和Pro /E在CAD和CAM方面都做得很出色;还有一些专用模具软件。国外的模具设计，特别是型腔模设计均采用三维CAD 设计，生成的三维模型直接用于CAM进行编程，再到CNC加工中心去加工，具有极高的工作效率。
CAE技术提供了可靠的保证。在模具投产之前，CAE软件可以预算测模具结构有关参数的正确性。例如可以采用流动模拟软件来考察熔体在模具腔内的流动过程，从此来改进浇注系统的设计，提高试模的一次成功率。可以用保压和冷却分析软件来考察熔体的凝固和模温的变化。以此来改进冷却系统，调整成型工艺参数，提高塑料制件的质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加工轨迹，提高型腔和型芯的加工精度和效率。
Pro /E操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro /E软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro /E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。Pro /E是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。因此本人在设计中采用这个软件。
4. 4  注射机的选择
在设计模具时，为了生产出合格的塑料制件，除了应掌握注塑成型工艺过程外，还应对所选用的注塑机的有关技术参数进行全面的了解。注塑机是塑料注塑成型所用的主要设备。注塑成型时模具安装在注塑机上，通过注塑机的液压锁模机构使动定模处于合模状态。这就需要较核该模具所需要的锁模力是否在注塑既允许范围内。另外模具的开模行程和最大闭和高度都应该通过校核。
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